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KR20140075485A - 복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조 - Google Patents

복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조 Download PDF

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KR20140075485A
KR20140075485A KR1020120143880A KR20120143880A KR20140075485A KR 20140075485 A KR20140075485 A KR 20140075485A KR 1020120143880 A KR1020120143880 A KR 1020120143880A KR 20120143880 A KR20120143880 A KR 20120143880A KR 20140075485 A KR20140075485 A KR 20140075485A
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reinforced plastic
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양희원
서성욱
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현대자동차주식회사
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Abstract

복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조가 개시된다. 섬유 강화 플라스틱 패널 및 상기 섬유 강화 플라스틱 패널에 인서트 되고, 상기 섬유 강화 플라스틱 패널보다 외측으로 돌출한 가장자리를 구비한 스틸 플랜지를 포함하여, 제작이 용이하여 생산성이 향상되고, 차체 강성을 증대시킬 수 있다.

Description

복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조{Composite vehicle body and manufacturing method thereof and vehicle body structure using the same}
본 발명은 복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유 강화 플라스틱과 스틸 소재로 복합된 복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조에 관한 것이다.
종래 차량의 차체 패널로서 스틸 소재로 된 패널이 일반적으로 이용되고 있지만, 최근에는 경량화를 추구하기 위해 섬유 강화 플라스틱(FRP)이 차체 패널로서 이용되고 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 섬유 강화 플라스틱 패널(10)이 루프 패널로서 사용된 경우가 도시되어 있는 바, 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(10)은 스틸 소재로 된 측부 스틸 차체(20)와는 스폿 용접이나 아크 용접 등과 같은 용접 방식으로 결합할 수 없으므로, 다른 기계적인 체결방법을 통해 결합하고 있다.
즉 서로 결합될 측부 스틸 차체(20)의 플랜지와 섬유 강화 플라스틱 패널(10)의 플랜지에 각각 체결홀을 형성하고, 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(10)의 플랜지를 측부 스틸 차체(20)의 플랜지 위에 중첩되게 배치한 다음에 접착제(30)로 서로 부착시키고, 상기 각 체결홀을 관통하여 볼트 혹은 리벳을 삽입하여 결합하고 있다.
그런데 통상적으로 용접을 통해 차체들을 결합하는 있는 현재의 자동차의 생산라인에서 상기와 같이 종래의 섬유 강화 플라스틱 패널(10)과 측부 스틸 차체(20)를 기계적인 방식으로 결합할 경우에는 체결홀의 가공과 접착제의 도포 및 경화 공정이 추가되어, 차체 생산 비용을 증가시킨다는 결점이 있었다.
또한 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(10)에 체결홀을 가공할 경우에 체결홀의 크기와 가공 시간이 길어질수록 섬유 강화 플라스틱의 주요 결함인 층간 분리가 일어날 염려가 있었다.
그리고 상기 볼트와 너트로 섬유 강화 플라스틱 패널(10)과 측부 스틸 차체(20)를 결합할 경우에 동일 직경의 스폿 용접에 비해 접합 강도가 낮아서 용접 방식으로 차체를 결합할 경우보다 더 많은 부위를 볼트와 너트로 결합해야 하는 결점이 있었다.
본 발명의 실시 예는, 차체의 다른 부위와 용접으로 결합할 수 있어서 생산성을 향상시킬 수 있고, 중량 및 원가 절감을 도모할 수 있는 복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널은, 섬유 강화 플라스틱 패널 및 상기 섬유 강화 플라스틱 패널에 인서트 되고, 상기 섬유 강화 플라스틱 패널보다 외측으로 돌출한 가장자리를 구비한 스틸 플랜지를 포함할 수 있다.
상기 스틸 플랜지는 상기 섬유 강화 플라스틱 패널이 충진되는 하나 이상의 결합홀을 포함할 수 있다.
상기 스틸 플랜지는 높이 방향을 따라 경사진 단차부를 포함할 수 있다.
상기 스틸 플랜지는 하방으로 오목하게 형성된 하나 이상의 포밍부를 포함할 수 있다.
상기 포밍부에는 발포 플라스틱이 접착될 수 있다.
상기 스틸 플랜지는 하나 이상의 중공부를 포함하고, 상기 중공부의 가장자리를 따라서 상기 포밍부가 연속되게 형성될 수 있다.
상기 스틸 플랜지는 상기 하나 이상의 중공부의 양측 가장자리에 상기 스틸 플랜지의 폭방향을 따라 형성된 하나 이상의 포밍부를 더 포함할 수 있다.
상기 폭방향을 따라 형성된 하나 이상의 포밍부를 구분지우는 격벽과 상기 중공부를 구분지우는 격벽 및 상기 외측 가장자리에 상기 하나 이상의 결합홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 차체 패널 제조방법은, 스틸 패널을 제작하는 스틸 패널 제작단계, 상기 스틸 패널에 포밍부와 단차부를 프레스로 성형하는 스틸 패널 성형단계, 상기 스틸 패널을 펀칭하여 하나 이상의 결합홀과 하나 이상의 중공부를 구비한 스틸 플랜지를 성형하는 스틸 플랜지 성형단계, 상기 포밍부에 삽입될 수 있는 형상으로 발포 플라스틱을 제작하는 발포 플라스틱 제작단계, 상기 발포 플라스틱을 상기 포밍부에 삽입하여 접착하는 접착단계, 섬유 강화 플라스틱 패널을 제작하는 섬유 강화 플라스틱 제작단계 및 상기 스틸 플랜지를 금형에 삽입하고, 상기 스틸 플랜지의 상부와 하부에 각각 상기 섬유 강화 플라스틱 패널을 적층하여 열과 압력을 가해서 결합시키는 결합단계를 포함할 수 있다.
상기 스틸 플랜지는 상기 섬유 강화 플라스틱 패널보다 외측으로 돌출한 가장자리를 포함할 수 있다.
상기 포밍부는 하방으로 오목한 수용홈을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 단차부는 높이 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
상기 스틸 패널은 표면 처리된 강판으로 제작되고, 상기 섬유 강화 플라스틱 패널은 탄소 섬유를 사용한 섬유 강화 플라스틱 패널일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 차체 패널 제조방법은, 스틸 패널을 제작하는 스틸 패널 제작단계, 상기 스틸 패널에 포밍부와 단차부를 프레스로 성형하는 스틸 패널 성형단계, 상기 스틸 패널을 펀칭하여 하나 이상의 결합홀과 하나 이상의 중공부를 구비한 스틸 플랜지를 성형하는 스틸 플랜지 성형단계, 상기 포밍부에 삽입될 수 있는 형상으로 발포 플라스틱을 제작하는 발포 플라스틱 제작단계, 상기 발포 플라스틱을 상기 포밍부에 삽입하여 접착하는 접착단계, 상기 스틸 플랜지에 불연속 섬유와 수지를 스프레이로 분사하고 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 차체 구조는 상기 복합 차체 패널이 루프 패널로서 측부 차체의 상부 가장자리를 따라 용접으로 부착되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널과 그 제조방법 및 이를 이용한 차체 구조에 의하면, 스틸 소재로 된 스틸 플랜지가 섬유 강화 플라스틱 패널에 인서트 되어 일체로 결합된 상태로 복합 차체 패널이 형성된다.
이에 따라 복합 차체 패널의 스틸 플랜지를 스틸 차체의 다른 부위에 용접으로 결합할 수 있으므로, 차체 조립 생산성이 향상되고, 중량 및 원가 절감을 도모할 수 있게 된다.
스틸 플랜지에 포밍 및 단차를 형성하여 섬유 강화 플라스틱과 결합되게 함으로써 횡방향 하중에 적절히 대응할 수 있고, 스틸 플랜지에 홀을 형성하여 섬유 강화 플라스틱이 충진되게 함으로써 섬유 강화 플라스틱의 층간 분리 결함을 억제할 수 있을 뿐만 아니라 종방향 하중에 적절히 대응할 수 있으며, 스틸 플랜지와 섬유 강화 플라스틱의 결합 강도도 증대된다.
상기 복합 차체 패널을 스틸 소재의 측부 차체와 용접으로 결합하여 차체를 구성한 상태에서 차량의 측면 충돌 혹은 전복 사고 발생시에 적절한 하중 전달 및 분산이 이루어져 탑승자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
탄소 섬유를 사용하는 CFRP과 표면처리강판을 사용하여 스틸 플랜지와 결합하여 복합 차체 패널을 형성한 경우에는 탄소 섬유와 스틸 소재 사이의 전위차에 따른 갈바닉(Galvalic) 부식을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 섬유 강화 플라스틱 패널이 차체 패널로 사용된 경우의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널이 측부 차체에 결합된 상태의 사시도이다.
도 4는 도 3의 B-B선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널을 제작하기 위한 스틸 패널의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널을 제작하기 위해 프레스 기계로 성형한 스틸 패널의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 스틸 플랜지의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널을 제작하기 위한 발포 플라스틱의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널을 제작하기 위해 발포 플라스틱이 스틸 플랜지에 결합된 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널의 사시도이다.
도 11은 도 10의 C-C선 단면도이다.
도 12는 도 10의 D-D선 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널(100)이 루프 패널로 사용되어 스틸 재질로 된 측부 차체(110)의 상부 가장자리를 따라 용접으로 결합되어, 차체의 일부를 형성한다.
상기 복합 차체 패널(100)은 루프 패널 이외에도 다른 차체 패널로서 사용될 수 있다.
상기 복합 차체 패널(100)은 섬유 강화 플라스틱 패널(102)에 스틸 플랜지(104)가 인서트 되어 결합된다.
상기 스틸 플랜지(104)는 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(102)보다 큰 폭과 큰 길이를 갖도록 형성되어, 상기 스틸 플랜지(104)와 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(102)이 서로 결합된 상태에서 스틸 플랜지(104)의 외측 가장자리(104a)는 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(102)보다 외측으로 더 돌출한 형상을 갖는다.
상기 스틸 플랜지(104)의 외측 가장자리(104a)가 상기 측부 차체(110)에 겹쳐져서 스폿 용접 혹은 아크 용접 등으로 통해 용접(120)으로 결합된다.
이에 따라 상기 복합 차체 패널(100)과 측부 차체(110)의 결합 강성이 향상되고, 자동차의 조립라인에서 별도의 결합 공정을 추가로 설치하지 적용할 수 있다.
상기와 같이 복합 차체 패널(100)이 측부 차체(110)에 결합되어 차체를 구성한 상태에서 자동차가 측면 충돌하거나 혹은 전복 사고가 발생할 경우에, 상기 복합 차체 패널(100)에 가해진 하중이 스틸 플랜지(104)를 통해 측부 차체(110)로 적절히 전달되어 분산됨으로써, 단순히 섬유 강화 플라스틱 패널만을 적용한 차체 구조에 비해 하중 분산 및 전달 효과가 우수해져 탑승자의 안전성이 향상된다.
도 5 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 차체 패널(100)은 다음의 단계를 거쳐 제작될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 대체로 직사각 형상을 이루는 스틸 재질로 된 스틸 패널(1041) 혹은 표면 처리된 스틸 패널(1041)을 제작한다.
상기 표면 처리된 스틸 패널로서 예를 들면 아연 용융합금 강판을 스틸 패널로 사용하고, 탄소 섬유를 사용한 섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 이용하여 복합 차체 패널(100)을 형성할 경우에 탄소 섬유와 스틸 사이의 전위차에 따른 부식(갈바닉 부식)을 억제할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 스틸 패널(1041)을 프레스 기계를 사용하여 성형하여 성형 스틸 패널(1042)을 제작한다. 이때에 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(110)과의 결합 강성을 증대시키기 위해 상기 스틸 패널(1041)을 프레스 기계로 성형할 때에 도 11에 도시된 바와 같이 포밍부(104b)와 단차부(104c)를 각각 형성한다.
상기 포밍부(104)는 복합 차체 패널(100)에 가해지는 횡방향 하중에 적절히 대응하는 역할을 하고, 상기 단차부(104c)는 복합 차체 패널(100)에 횡방향 하중이 가해질 때에 상기 스틸 플랜지(104)와 섬유 강화 플라스틱 패널(102) 사이에 슬립이 발생하지 않도록 슬립을 억제하는 역할을 한다.
상기 포밍부(104b)는 하방으로 오목한 수용홈을 형성하여 구성할 수 있다.
상기 단차부(104c)는 높이 방향을 따라 경사지게 형성된다.
도 7에 도시한 바와 같이 상기 성형 스틸 패널(1042)을 트림 금형을 이용하여 펀칭해서 상기 스틸 플랜지(104)를 완성한다.
상기 성형 스틸 패널(1042)을 트림 금형을 이용하여 펀칭할 때에 상기 외측 가장자리(104a)에 하나 이상의 결합홀(104d)을 형성한다.
상기 하나 이상의 결합홀(104d)은 상기 외측 가장자리(104a)를 따라서 소정 간격을 두고 형성된다.
상기 결합홀(104d)에는 도 12에 도시된 바와 같이 상기 섬유 강화 플라스틱 수지가 충진되어, 상기 스틸 플랜지(104)와 섬유 강화 플라스틱 패널(102) 사이의 결합 강성이 증대되고, 종방향 하중에 의한 섬유 강화 플라스틱의 층간 분리를 방지할 수 있고, 탄소 섬유 시트를 이용하여 섬유 강화 플라스틱 패널(102)을 제작할 때에 수지 주입을 원활하게 하여 제작시간을 줄일 수 있다.
상기 스틸 플랜지(104)는 대체로 직사각 패널 형성을 하고서 하나 이상의 관통한 중공부(104e)가 소정 간격을 두고 형성되어 있고, 서로 인접한 중공부(104e)는 격벽(104f)에 의해 구획된다.
상기 각 중공부(104e)의 가장자리를 따라서 상기 포밍부(104b)가 연속되게 형성된다.
상기 스틸 플랜지(104)의 양측 가장자리에도 스틸 플랜지(104)의 폭방향을 따라 연장되게 포밍부(104b)가 하나 이상으로 형성된다.
상기 결합홀(104d)은 상기 각 격벽(104f)에 하나 이상으로 형성될 수 있고, 상기 폭방향을 따라 연장되게 포밍부(104b)의 좌우 양측에 형성될 수 있다.
상기 결합홀(104d)의 개수와 위치는 적절히 설정될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 상기 각 포밍부(104b)에 충진될 발포 플라스틱(106)을 성형한다.
상기 발포 플라스틱(106)을 도 9에 도시한 바와 같이 각 포밍부(104b)에 삽입하여 접착한다.
상기 발포 플라스틱(106)은, 상기 스틸 플랜지(104)의 포밍부(104b)를 상기 섬유 강화 플라스틱 패널(102)로 감쌀 때에 외관의 품질을 향상시킬 수 있고, 강성을 증대시킬 수 있으며, 섬유 강화 플라스틱 패널(102)의 재료를 절감할 수 있다.
상기와 같이 발포 플라스틱이 부착된 스틸 플랜지를 금형에 삽입하여 섬유 강화 플라스틱 패널(102)을 성형해서 도 10에 도시된 바와 같이 복합 차체 패널(100)을 제작한다.
즉 금형에 스틸 플랜지를 삽입하고, 상기 스틸 플랜지의 상부와 하부에 각각 섬유 강화 플라스틱을 적층하여 열과 압력을 가해서 성형한다.
이때에 금형에 스틸 플랜지를 삽입하여 설정하고, 불연속 섬유와 수지를 혼합한 벌크(Bulk) 타입의 컴파운드(BMC; Bulk Molding Compound)를 금형에 넣고 열과 압력을 가하여 성형하거나, 혹은 시트 타입 컴파운드(SMC; Sheet Moulding Compound)를 사용하거나, 탄소 섬유 시트로 스틸 플랜지를 덮어 금형에 수지를 주입하여 열과 압력을 가하는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법 등을 사용하여 복합 차체 패널(100)을 제작할 수 있다.
상기 방법 이외에도 스틸 플랜지에 불연속 섬유와 수지를 스프레이로 분사하고 경화시켜 복합 차체 패널을 제작할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100: 복합 차체 패널 102: 섬유 강화 플라스틱 패널
104: 스틸 플랜지 106: 발포 플라스틱
120: 용접

Claims (15)

  1. 섬유 강화 플라스틱 패널; 및
    상기 섬유 강화 플라스틱 패널에 인서트 되고, 상기 섬유 강화 플라스틱 패널보다 외측으로 돌출한 가장자리를 구비한 스틸 플랜지;
    를 포함하는 복합 차체 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스틸 플랜지는 상기 섬유 강화 플라스틱 패널이 충진되는 하나 이상의 결합홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스틸 플랜지는 높이 방향을 따라 경사진 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스틸 플랜지는 하방으로 오목하게 형성된 하나 이상의 포밍부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 포밍부에는 발포 플라스틱이 접착된 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스틸 플랜지는 하나 이상의 중공부를 포함하고;
    상기 중공부의 가장자리를 따라서 상기 포밍부가 연속되게 형성된 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스틸 플랜지는 상기 하나 이상의 중공부의 양측 가장자리에 상기 스틸 플랜지의 폭방향을 따라 형성된 하나 이상의 포밍부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폭방향을 따라 형성된 하나 이상의 포밍부를 구분지우는 격벽과 상기 중공부를 구분지우는 격벽 및 상기 외측 가장자리에 상기 하나 이상의 결합홀이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 차체 패널.
  9. 스틸 패널을 제작하는 스틸 패널 제작단계;
    상기 스틸 패널에 포밍부와 단차부를 프레스로 성형하는 스틸 패널 성형단계;
    상기 스틸 패널을 펀칭하여 하나 이상의 결합홀과 하나 이상의 중공부를 구비한 스틸 플랜지를 성형하는 스틸 플랜지 성형단계;
    상기 포밍부에 삽입될 수 있는 형상으로 발포 플라스틱을 제작하는 발포 플라스틱 제작단계;
    상기 발포 플라스틱을 상기 포밍부에 삽입하여 접착하는 접착단계;
    섬유 강화 플라스틱 패널을 제작하는 섬유 강화 플라스틱 제작단계; 및
    상기 스틸 플랜지를 금형에 삽입하고, 상기 스틸 플랜지의 상부와 하부에 각각 상기 섬유 강화 플라스틱 패널을 적층하여 열과 압력을 가해서 결합시키는 결합단계;
    를 포함하는 복합 차채 패널 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스틸 플랜지는 상기 섬유 강화 플라스틱 패널보다 외측으로 돌출한 가장자리를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 차채 패널 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 포밍부는 하방으로 오목한 수용홈을 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 차채 패널 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단차부는 높이 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 차채 패널 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 스틸 패널은 표면 처리된 강판으로 제작되고;
    상기 섬유 강화 플라스틱 패널은 탄소 섬유를 사용한 섬유 강화 플라스틱 패널인 것을 특징으로 하는 복합 차채 패널 제조방법.
  14. 스틸 패널을 제작하는 스틸 패널 제작단계;
    상기 스틸 패널에 포밍부와 단차부를 프레스로 성형하는 스틸 패널 성형단계;
    상기 스틸 패널을 펀칭하여 하나 이상의 결합홀과 하나 이상의 중공부를 구비한 스틸 플랜지를 성형하는 스틸 플랜지 성형단계;
    상기 포밍부에 삽입될 수 있는 형상으로 발포 플라스틱을 제작하는 발포 플라스틱 제작단계;
    상기 발포 플라스틱을 상기 포밍부에 삽입하여 접착하는 접착단계;
    상기 스틸 플랜지에 불연속 섬유와 수지를 스프레이로 분사하고 경화시키는 단계;
    를 포함하는 복합 차체 패널.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 복합 차체 패널 혹은 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 제작된 복합차체 패널이 루프 패널로서 측부 차체의 상부 가장자리를 따라 용접으로 결합된 차체 구조.
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